5G NSA网络端到端差异化QoS策略研究

李 一，刘光海，李 菲，龙青良（中国联通网络技术研究院，北京 100048）

0 前言

目前流量经营已出现增量不增收瓶颈，同时由于不限流量用户发展迅速，网络扩容压力激增，运营商需要从流量经营向“流量+内容”经营转型，实现聚焦战略的再延伸。此外，现有用户对流量、价格、服务品质的需求有较大差异，仅以业务量的多少对全部客户进行简单化、单维度、普惠型的服务保障，已经不能满足发展和管理需要，必须从“质”的维度增加服务保障策略。通过将不同的业务、用户映射到不同的QCI 类型承载，并对不同的QCI 类型承载配置不同的QoS 参数，可以实现基于业务和用户的网络差异化服务。

1 整体介绍

基于降低部署成本、尽快部署5G 的目的，在5G 建网初期先演进无线接入网，而保持4G 系统核心网不动，4G eNodeB 和5G gNodeB 用户面可以直接连接到EPC，控制面则仅经由4G eNodeB 连接到EPC。中国联通5G NSA 网络采用Opotion 3x 方式，数据在gNodeB PDCP 层进行分流后，通过eNodeB 和gNodeB 同时传送给用户。网络整体架构如图1所示。

1.1 NSA网络无线承载

图1 NSA网络架构

端到端QoS具体的流程为：PCRF 根据业务类型动态生成QoS 策略，并将该策略下发给P-GW；P-GW 按照TFT 模板识别服务数据流（SDF），将同QCI 的多个SDF 服务数据流聚集映射到一个EPS 承载上，传给SGW；S-GW 进行包路由和转发，将数据传送给gNodeB，再由gNodeB 根据实际情况决定是否分流给eNodeB。

5G NSA 网络包含3 种类型的无线承载，MCG Bearer、SCG Bearer 和SCG Split Bearer。MCG Bearer 表示该无线承载的RLC 实体只在MCG，即数据流只经由eNodeB 传输；SCG Bearer 表示该无线承载的RLC 实体只在SCG，即数据流只经由gNodeB 传输；SCG Split Bearer 表示该无线承载的PDCP 实体在SCG，但是RLC实体既存在于SCG，又存在于MCG，即数据流经由gNodeB和eNodeB传输。

gNodeB、eNodeB 收到S-GW 传送的数据后，根据当前的空口和传输资源状况，按照相应的QoS 参数建立无线承载并调度UE 承载的数据，通过差异化的资源管理和分配策略保证UE承载的QoS水平。

1.2 QoS参数

QoS 参数主要包含QCI、ARP、UE-AMBR、APNAMBR、GBR、MBR 等6 个参数。其中，QCI 和ARP 是Non-GBR 承载和GBR 承载共有的参数，UE-AMBR 和APN-AMBR 是Non-GBR承载特有的参数，GBR 和MBR是GBR承载特有的参数。

其中，Non-GBR 承载为用于承载无稳定带宽资源要求的业务，承载的资源按需分配。GBR 承载为存活期间网络为之分配并保持专用资源，用于承载需要带宽保证的业务，GBR 业务的优先级通常高于Non-GBR业务。

1.2.1 QCI

QCI（QoS Class Identifier）控制承载级数据包forwarding treatment 的参数，由运营商提前设置。QCI 包含4 个性能参数：Resource Type（GBR or Non-GBR）、Priority、Packet Delay Budget、Packet Error Loss Rate。3GPP 定义的QCI 属性如表1 所示（综合厂商支持度和现网实际暂不罗列扩展QCI）。

表1 3GPP协议不同QCI类型对应的性能要求

1.2.2 ARP

ARP 包含3 个参数：优先级（the priority level）、抢占能力（the pre-emption capability）和被抢占能力（the pre-emption vulnerability）。

优先级定义了资源请求的相对重要性，该参数决定了接受承载建立/修改请求，或者在资源受限的情况下拒绝承载建立/修改请求（主要应用于GBR业务流的接入控制）。该参数也可以决定在资源受限的情况下抢占哪个现有承载。优先级的取值为1 到15，当取值为1 时，优先级最高。抢占能力决定一个业务数据流是否可以得到较低优先级业务数据流的资源。被抢占能力决定一个业务数据流是否可以放弃现有资源以便其他高优先级的业务数据流接入。

一旦ARP 成功建立，一般情况下承载的ARP 值对承载级数据包的传输不再有任何影响。数据包的传输将会由EPS承载的其他QoS参数决定。

1.2.3 UE-AMBR/APN-AMBR

APN-AMBR 是HSS 中存储的每个APN 的签约数据。APN-AMBR 限制了UE 到APN 的所有PDN Connection 的所有Non-GBR 承载的聚合比特速率。PGW 在下行执行APN-AMBR。UE 在上行执行APNAMBR。

UE-AMBR 是HSS 中存储的签约数据。UE-AMBR 限制了UE 所有Non-GBR 承载的聚合比特速率。MME 应将UE-AMBR 的值设置为所有激活APN 的APN-AMBR 的总和。E-UTRAN 在上/下行执行UEAMBR。

1.2.4 GBR/MBR

GBR 指示了一个GBR 承载期望提供的比特速率。MBR 限制了一个GBR 承载期望提供的比特速率。一般情况下，MBR≥GBR。

2 业务差异化QoS

业务差异化QoS 研究，旨在面向游戏、直播、金融等典型应用，推出基于时延、丢包、保障带宽等差异化业务感知和业务质量的网络产品。

2.1 总体策略

2.1.1 核心网策略

网络基于业务需求建立专载，专载的建立和释放基于与APP服务器交互。网络整体业务差异化QoS策略如表2所示。

表2 业务差异化QoS策略

2.1.2 无线网策略

a）无线承载策略。根据核心网下发的QoS 策略，gNodeB 建立相对应的无线承载，无线网建立QCI1-9的无载策略建议如表3 所示。QCI1/QCI2/QCI5 涉及VoLTE语音业务，只承载在4G网络，即MCG Bearer，其他业务均建议承载在SCG Split Bearer。

b）无线分流策略。对于下行业务，需采用分流策略，即当gNodeB 速率不足以满足业务需求时开启分流，gNodeB 和eNodeB 共同保证业务速率。对于上行业务，需支持基于gNodeB 信号质量的主路径转换功能，即当gNodeB 信号质量不好时使用MCG Bearer 承载上行数据业务，以保证边缘用户的上行业务质量。

表3 QCI1-9无线承载映射

2.2 QoS参数配置

业务差异化服务的落地，需全网开展端到端QoS策略和参数的合理化、一致性。

2.2.1 核心网QoS参数

核心网基于业务需求将业务映射到某一QCI 等级，并根据业务特性制定与这一QCI 配套的QoS 差异化服务参数。核心网负责QoS 策略制定，因此其对应的参数主要包括QCI、GBR/MBR、UE-AMBR/APNAMBR。表4为NSA网络的参数配置建议。

2.2.2 无线网QoS参数

本节主要介绍5G 侧的无线网QoS 参数，无线网根据核心网下发的QoS参数，执行具体资源调度和分配，具体涉及PDCP、RLC、MAC 等各层的相关映射参数。不同QCI涉及的关键参数如下：

PDCP 丢弃定时器：PDCP SDU 的丢弃定时器时长。PDCP 从高层接收到一个PDU，就会启动一个定时器，若超时后而没有收到底层（RLC）的指示，就会丢弃此SDU。该参数配置过大，则传送时延较大，若配置过小，则容易发生丢弃，影响吞吐量。根据3GPP 定义的QCI 属性Packet Delay Budget，考虑不同QCI 等级的PDCP丢弃定时器设置。

RLC 模式：线链路控制协议RLC 层位于MAC 层之上PDCP 层之下。RLC 实体由RRC 配置并且根据业务类型有3 种模式：透明模式（TM）、非确认模式（UM）、确认模式（AM）。3种工作模式的比较如表5所示。

对比工作模式的区别，不难发现，RLC UM 模式适合实时性要求高，但数据准确性要求并不高的业务，比如VoLTE 业务、互动手游等；而RLC AM 模式对准确性的要求非常高，为了保证数据的正确接收将会牺牲一些实时性，适用于普通数据业务等。

表4 NSA网络下核心网参数配置建议

表5 RLC模式对比

TTI bundling：对上行的连续TTI进行绑定，分配给同一UE 的一种方式。这些上行的TTI中，发送的是相同内容的不同RV 版本。这样可以提高数据解码成功的概率，提高LTE的上行覆盖范围，代价是增加了一些时间延迟。TTI bundling 可用于VoLTE 上行补充语音覆盖。

DRX：不连续接收（Discontinuous Reception）。由于UE 不是一直都有数据包需要收发，故协议规定了此项功能，只在一个周期的active 时间内正常收发数据，而随后进入sleep 态则不再监听PDCCH，从而达到省电的目的。对于实时性要求高的业务，建议关闭DRX开关。

综上所述，不同QCI 无线网QoS 关键参数的配置建议如表6所示。

表6 NSA网络下不同QCI无线网QoS关键参数配置建议

2.2.3 传输QoS参数

传输网的QoS 保障，需要通过IP 层的DSCP 实现，因此需要在传输网两端做QCI-DSCP 映射。表7 示出的是NSA网络下传输网QoS参数配置建议。

3 用户差异化QoS

由于不限量用户发展迅速，网络扩容压力激增，对部分用户已经低于成本线，网络的高利用率直接影响NPS。另外，现有用户对流量、价格、服务品质的需求有较大差异，仅以业务量的多少对全部客户进行简单化、单维度、普惠型的服务保障，已经不能满足发展和管理需要，必须从“质”的维度增加服务保障策略。

表7 NSA网络下传输网QoS参数配置建议

用户差异化研究，旨在实现重点用户的感知优先保障，达到网络资源向高价值用户聚焦的效果。

3.1 总体策略

高端用户是重要的基石用户，也是主要的利润之源，需要高度重视其用户体验，建议进行如下高品质保障。

a）网络仍需要持续面向整体用户保障，做好持续扩容和覆盖优化。

b）建立市场+网络联动的用户分等级、差异化服务与保障体系。

c）在无线接入阶段，进行差异化接入控制，允许高等级用户优先接入，甚至抢占；并为之建立更高等级的默认承载；在业务建立持续阶段，优先分配资源，保障最低速率等。

d）对低价值极致用户，采取必要的限速措施。

网络整体用户差异化QoS策略如表8所示。

表8 NSA网络下用户差异化QoS策略

3.2 核心网策略

承载建立规则根据下发的QoS参数进行映射。

对于默认承载，基于用户ARP 等级建立，具体优先级为：VVIP用户＞VIP用户＞普通用户＞限速用户。

对于专用承载，基于业务需求进行专载的建立、改变和释放。VVIP 用户的专载使用自定义QCI，接入网络后自动建立。

3.3 无线网策略

无线网策略包括准入控制规则和调度策略。

3.3.1 准入控制规则

准入控制规则可以根据用户等级区分用户承载的接入顺序。高等级用户享受承载优先接入、优先分配资源。

准入控制规则主要包括：基本准入控制、基于用户ARP等级的准入控制和基于GBR的动态准入控制。

a）基本准入控制。License数量限制，优先本地网共享，不能本地网共享时，基站内共享；License 不受限时，所有用户均可接入。

b）基于用户ARP 等级的准入控制。License 数量达上限时，基于ARP 优先级配置的抢占、被抢占开关设置，高ARP 等级用户具备抢占能力，从最低等级ARP用户起释放所需连接资源。

c）基于GBR 的动态准入控制。GBR 接入上限占比静态配置，如总无线资源的50%等，可以基于小区忙闲等级设置不同基准数值（见图2（a））；进一步，占比基于小区负荷情况自动动态调整（如基于小区PRB利用率或时段，设置多个上限阶梯）（见图2（b））。

图2 GBR动态策略

3.3.2 调度策略

调度策略旨在根据用户等级区分用户的调度优先级和调度资源。高等级用户优先进行资源调度。现网需调度的业务类型主要包括SPS 调度、GBR 业务调度和Non-GBR 业务调度。几种业务的调度优先级和资源分配原则如下：

a）SPS调度。如果有SPS调度，SPS调度优先级最高，优先为SPS调度分配资源。

b）Non-GBR 承载的PBR 调度。完成SPS 调度若仍有剩余资源，分配给默认信道逻辑信道优先速率（PBR，现网一般配置为8 kbit/s）。所谓PBR，是为避免高优先级的逻辑信道始终占有资源，而低优先级的逻辑信道无法发送数据而引入的概念。即在给逻辑信道分配资源之前，配置好各个逻辑信道的数据速率，从而为每个逻辑信道提供最小数据速率保证，避免低优先级的逻辑信道无法分配资源。

c）GBR 调度。完成PBR 调度之后若仍有剩余资源，进行GBR业务调度。此时，若GBR业务资源不足，可以分3步走。

第1 步：在GBR 资源占比达限之前，可以抢占Non-GBR资源。

第2步：当GBR资源占比达限时，查看动态上限规则。

第3 步：最大GBR 占比达限时，基于ARP 抢占低等级用户GBR资源。

d）Non-GBR 调度。完成GBR 业务调度若剩余资源，进行Non-GBR 业务调度。此时，Non-GBR 业务的调度，可以分为2步走。

第1 步，进行基于ARP 等级的Non-GBR 业务调度，即首先调度ARP等级高的Non-GBR承载。

第2 步：剩余的Non-GBR 承载，按照比例公平方式进行调度。

4 结束语

本文基于业务差异化、用户差异化开展网络深入研究，制定5G NSA 网络端到端差异化QoS 策略，使不同的业务、不同的用户承载在不同的QCI 承载。同时对每种QCI 承载对应的无线网、传输网和核心网参数进行统一梳理，给出关键的QoS 参数配置建议，实现5G NSA 网络端到端差异化QoS 参数的合理化、标准化。